矿井提升机电控系统集控改造及优化

矿井提升机电控系统集控改造及优化

谢成庆

重庆市同浩聚联供应链管理有限公司渝北分公司  重庆 408400

摘要：提升机承担着地面与井下的原煤、人员、物料以及设备的运输任务。PLC技术是实现矿井提升机电控系统自动化控制的关键技术，对促进提升机电控系统高精度、网络化控制意义重大。相关企业在设计提升机电控系统时，还需结合PLC技术的基本优势优化系统，满足不同工况种提升机的运行管理要求，确保矿井下的矿产资源能够安全运输，为我国矿产事业的开发建设提供助力。

关键词：矿井；提升机电控系统；集控；优化

1提升机概述

针对运输对象的不同，煤矿生产中的提升机分为主井提升系统和副井提升系统。其中，主井提升系统主要用于对煤炭进行运输；副井提升系统主要用于对人员和物料的运输。总的来讲，提升系统主要包括有拖动系统、提升容器、钢丝绳、天轮以及装载设备等。根据实际提升运输工况，提升机控制系统实现对提升容器的加速、减速、匀速、爬行以及制动停车等六种控制状态。对于提升机控制系统而言，旨在保证提升机能够根据实际工况对将设备控制在最佳、最合理的运行状态，核心是保证设备的运输效率和安全性可靠性。提升机控制系统需满足如下要求。

1.1实现对提升机速度的精准控制

根据《煤矿安全规程》的相关规定，为保证提升的安全，针对不同的提升对象其对应的提升加速度、减速度需合理。当提升人员时，加速度和减速度不得大于0.75m2/s；当提升物料时，加速度和减速度不得大于1.2m2/s[1]。

1.2实时显示功能

基于提升机控制系统可实时对设备的提升速度、运行方向以及实时位置进行显示，确保操作人员可直观掌握提升机的工作状态。

1.3高灵敏度的制动系统

要求提升机控制系统可实现提升机的稳定制动停车；且在遇到突发情况时实现提升机的紧急停车。

2矿井提升机电控系统的设计

电控系统是矿井提升机的重要组成部分，系统的主要由变频调速系统、核心处理器组成。基于PLC的提升机电控系统的核心处理器多为S7-300，其他组件包括PLC控制箱、低压配电柜、制动电阻柜、变频电源柜、操作台触摸屏等。其中，PLC控制箱共包括2套，分别具有自动控制提升机的提升、闭锁、调整提升速度值、接受指示信号灯，以及监控提升机控制系统的功能。变频电源柜则能够灵活地控制电控系统的运行速率，具有反馈系统能量的作用。制动电阻柜具有提升机减速、停止的功能，低压配电柜可用于矿井提升机的电路供电，操作台触摸屏是通过画面显示、仪表显示、指示灯显示调整提升机电控系统参数，定位电控系统运行中的设备位置、电压、电流等，更为可靠的评估提升机电控系统的运行状态。

变频调速装置是系统的重要组成部分，会直接影响矿井提升机电控系统运行中提升机的提升容量与速度。基于PLC技术，系统可应用“交直交”的变频调速方案，打造数字化的变频调速装置。交直交变频调速设计中，调速系统具有结构简单、效率高、高电压、高容量的优势。将其应用在提升机电控系统种，有助于确保提升机调速的精确性、灵活性。设计变频调速装置时，其控制方法为SVPWM矢量控制，拓扑结构为二极管钳位三电平，功率开关管为IGBT功率器件[2]。

矿井提升机电控系统中的PLC控制系统采用双套PLC，PLC系统设计内容主要包括“安全回路设计”“I/O接口分配设计”“电气连锁设计”等。其中电气连锁需要结合矿井提升机的规格型号、煤矿安全规范进行设计。I/O接口分配设计中，接口的信息包含开关信号、模拟信号。开关信号的本质是电控系统运行中的数字信号，系统输入、输出数字信号数量可设计为132、25，备用数字信号量为31、16。模拟信号输入、输出数量可设计为25、10，备用数量为5、3。设计安全回路时，应分别对电控系统的PLC软件程序、继电器开关装置组成的硬件设备进行安全回设计。

3矿井提升机电控系统的集控改造及优化

传统提升机电控系统采用转子回路串电阻实现调速，其拖动系统采用交流绕线式电动机，通过继电器及接触器组成的控制单元对转子电阻进行切换实现有机调速，该方式存在以下缺点：1）继电器切换动作延迟较大，导致在提升机加速、减速阶段无法对速度准确控制，停车位置具有较大误差。2）接触器频繁开合导致器件极易发生损坏和故障，系统维护成本高，可靠性差。3）由继电器、接触器组成的电气控制回路接线复杂，同样导致系统维护成本及可靠性问题。4）采用串、切电阻的有级调速方式调速性能差，中高速运行时系统振动较大，同时大量电能消耗在电阻上，经济性较差。

为有效提高提升机调速性能及运行安全性，对其电气控制部分进行改造设计，优化系统控制结构及调速方式，并通过传感单元设计增加提升机运行监测功能，进一步提高提升机运行效率及可靠性，具体方案如下：

3.1系统控制结构优化

系统采用PLC作为控制核心替代原系统继电器、接触器控制单元，由PLC对主轴装置编码器数据进行采集，通过上位机进行分析处理后给出最优调速控制，使提升机稳定运行于设定速度曲线上，系统控制精度及调速性能大幅提高。同时系统采用双PLC冗余控制结构，分别作为系统主控机和监控机，由主控PLC控制系统I/O输入输出，监控PLC进行系统运行参数采集，并与主控PLC实时通信，当主控PLC发生故障立即切换至监控PLC进行系统控制

[3]。

3.2变频调速装置优化

在保留原转子串电阻调速单元基础上，采用高压变频器对提升机电机频率、转速及转矩进行变频控制，实现无极调速。高压变频器采用交-直-交结构，采用PWM整流器及逆变器对高压进行整流逆变后直接输出，提高效率的同时可大幅降低损耗，可在高动态及调速性能下实现对提升机电机的频率、转速及转矩控制，同时高性能变频器自带综合保护及参数采集功能，易于实现自动控制，可与双冗余PLC电控系统形成良好的控制及监测交互。

采用单元串联电压源型高压变频器实现高压变频输出，选用型号为塞克斯SBTG 单元串联四象限高压变频器。SBTG 采用闭环矢量控制，控制精度可精确至0.07% ，具备空中悬停及恒减速制动功能，可在任意井深处完全解除动力，使罐笼立即静止，实现对减速和停车过程的精确控制。同时SBTG 具有内置滤波器，输出电压谐波＜3%，无需额外输出滤波器即可适配于系统电机。为实现远程控制功能，SBTG 内部集成了RS232/RS485/Ethernet 等多种通讯接口，可与PLC 控制器建立可靠通讯，通过接收PLC 控制指令完成所有变频调速控制。同时其内部集成多种过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护、过热保护等综合保护功能，无需额外增设其他综合保护装置即可保证设备安全可靠运行，完全满足本系统调速控制需求。

3.3上位机监控功能优化

改造方案采用WinCC组态软件对上位机监控系统进行设计，使人机交互界面更为直观简洁，有效实现提升机远程控制及各类运行参数监测等功能。除原系统深度探测器外，系统通过在现场安装的多个传感器对提升机牵引绳张力、液压站油压、罐笼位置等参数进行实时采集，并上传至上位机对提升机运行状态进行实时监测。

4结语

综上所述，提升机作为煤矿地面与井下的主要运输设备，主要负责人员、物资、物料的上下传送，其安全稳定高效运行对于煤矿生产至关重要。由于其机械结构及相应的电控系统机构较为复杂，实践应用中应当构建完善的提升机电控系统，提高整体安全可靠性强、控制精度及效率，这对于保证提升机安全稳定高效运行具有重要意义。

参考文献

[1]郝振吉.小型矿井提升系统的设计[J].机械管理开发,2023,38(08):103-104+107.

[2]明澍.基于PLC实现提升机变频调速控制系统的设计与仿真[J].机械管理开发,2023,38(07):243-245.

[3]白宁.煤矿提升机电控系统智能化设计与应用[J].煤矿现代化,2023,32(03):70-73.